功能染料概述

功能染料概述功能性染料是一类具有特殊功能或应用性能的染料，这种特殊功能指的是染料用于着色用途以外的性能,通常都与近代高、新技术领域关联的光、电、热、化学、生化等性质相关。

目前，功能染料已被广泛地应用于液晶显示、热敏压敏记录、光盘记录、光化学催化、光化学治疗等高新技术领域。

在光电子学领域，功能性染料的一个重要应用是作为电荷生成材料，通过光诱导电荷分离和电场诱导载流子迁移，形成静电潜影，进而用于激光打印或静电复印。

功能染料主要有两种开发途径：一是筛选原有染料，利用传统的染料和颜料的某些潜在性能；二是改变传统染料的发色体系，使其具有新的功能。

所以，功能性染料的开发应用是功能性高分子和染料化学的一个新领域。

一、功能染料及其主要用途功能性染料按照功能主要有：1.激光染料在高技术中的最早应用是激光染料。

染料激光器是一种以染料为工作物质，将染料受激光辐射所产生的光辐射沿某一特定方向反复传播、放大，使之形成一束强度大、方向集中的光束的光电发生装置。

由于染料在可见光区域均有较强的吸收，因此可实现激光输出波长的连续可调。

可用于同位素分离、光化学、疾病诊断、环境污染检测及彩色全息照相等方面。

按化学结构可分为四类：（1）菁类染料（激光范围540～1200 nm）；（2）香豆素类染料（激光范围为425～565 nm）；（3）噁嗪类染料（激光范围650～700 nm）；（4）闪烁材料，主要是些含噁嗪、噁二唑、苯并噁唑环的芳香族化合物，是紫到紫外区域中的激光染料。

2.液晶染料液晶染料主要指可在液晶中掺杂的具有二向色性的染料。

二色性染料沿着不同的轴具有不同的光吸收，因而具有不同的颜色。

存在于液晶中的二色性染料分子的排列往往取决于主液晶(Host liquid crysta1)的取向。

在不加电场的情况下，主体液晶及客体染料分子均随机取向，透过液晶显示器的颜色将是不同色轴颜色的混合色；在施加电场的情况下，主液晶的矢量将沿场排列，此时染料主分子轴也将沿场排列，透过液晶显示器的将是主分子轴方向的颜色，从而实现彩色液晶显示。

3.光致变色色素(photochromic colorant)这类色素受到光照射后，通过共轭链变化、顺－反式结构变化、分子内质子转移、开环－闭环反应、加氧－脱氧反应和光氧化－还原反应等光化学反应，使色素的最大吸收波长（或反射光的波长）发生变化。

这类色素有可能在显示材料、传感器以及装潢等方面得到应用。

4.热致变色色素(thermochromic colorant)这类色素在受热时，通过结构和金属络合物几何构型的变化、热分解以及酸碱反应、电荷转移、质子传递和螯合等反应使色素发生颜色变化。

热致变色可以是可逆的，也可以是不可逆的。

热致变色材料可以是单一的化合物，也可以是由多种成分复合而成的混合物。

根据工艺配方的不同，可得到不同变色温度和不同颜色变化的热致变色材料（或色素）。

热致变色材料可制成示温材料、丝网印刷和凹版印刷用油墨，用于各种薄膜、标签、包装物，日用品，玩具等需要随温度变色制品的印刷。

通常先要将热致变色材料制成微胶囊或其他剂型。

5.电致变色色素(electrochromic colorant)这类色素能在外接电压或者电流的驱动下，发生电化学氧化还原反应而引起颜色变化。

即在外加电场作用下，物质的光学性能（透射率、反射率等）在可见光范围内产生稳定的可逆变化。

电致变色色素分为无机变色色素和有机电致变色色素（例如紫精类、稀土酞菁、吡嗪类、吩噻嗪类等）。

无机电致变色材料主要集中在过渡金属氧化物、络合物、普鲁士蓝、杂多酸等。

有机电致变色材料分为有机小分子电致变色材料和高分子电致变色材料。

电致变色材料具有：1）颜色变化的可逆性、方便性、灵敏性、多色性；2）颜色深度的可控性；3）颜色的记忆性；4）电致变色材料的驱动电压低；5）颜色环境适应性强等优异的特性。

近年来已研制开发出了多种电致变色器件，主要有电致变色显示器(electrochromic display，简称ECD)、电致变色智能窗、无眩反光镜、电色储存器件等。

此外还包括变色太阳镜、高分辨率光电摄像器材、光电化学能转换和储存器、电子束金属版印刷技术等高新技术产品，前景十分广阔。

6.电致发光色素（electroluminescent colorant）这类色素能在外界电场的作用下，将电能直接转换成光能。

发光二极管（LED）是由无机半导体材料制成的。

20世纪60年代初发现有机电致发光现象。

1987年美国柯达公司的C. W. Tang（邓青云）博士制备了以8-羟基喹啉铝为发光材料的高亮度的多层器件，使有机电致发光研究取得了突破性进展。

电致发光器件发光机理是：从阴极和阳极产生的电子和空穴分别注入到夹在电极之间的有机功能薄膜层，并分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。

电子和空穴结合产生激子；由电能产生的激子属于高能态物质，其能量可以将发光色素分子中的电子激发到激发态。

最后发生电致发光，激发态能量通过辐射失活，产生光子，释放能量。

有机电致发光器件（Organic Light Emitting Diode, OLED）具有响应速度快、亮度高、视角广、功耗低、易弯曲、易加工的特点，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的发光器件。

正是这些潜在的优势，有机电致发光技术的研究引起了国内外许多科研工作者以及许多企业的极大兴趣。

7.光盘用色素这类色素主要用于可刻录式光盘（CD-R）的制作。

CD-R是在一定强度激光的照射下，使记录层发生不可逆的物理或化学变化，从而改变光的反射和透射强度来进行信息记录的。

有机材料具有：1）融化或软化温度低，记录灵敏度高；2）热导系数小，记录点小，从而可获得高的信噪比；3）可通过旋转涂布法成膜，成本低、效率高；4）光学和热变型性质可通过改变有机分子的结构来调整；5）来源广，毒性小等特点。

因而，光盘记录介质的开发已转向功能染料。

目前CD-R 光盘主要用菁染料、酞菁染料和偶氮染料三种染料。

在市面上的CD-R光盘中，绿盘使用的是菁染料，金盘使用的是酞菁染料，而蓝盘使用的是偶氮染料。

8.太阳能存储用色素这类色素能通过光化学的方法将太阳能转换为化学能，从而加以存储，用于这一用途的色素又称作太阳能光敏化剂。

在太阳能光敏化剂、光催化剂存在下，利用太阳光把H2O光解为H2和O2，再在需要时把氢和氧燃烧，从而放出热能，或者是单独使用氢气。

这类色素主要是吡啶钌络合物、喹啉菁染料、苝类化合物和卟啉类化合物等。

9.生物医用色素随着染料化学的发展，人们发现可以通过物理作用或者化学反应将染料分子引入生物大分子的主链或侧链上，染料和底物在分子水平上的结合只要极少量染料便可获得所需的颜色深度，或者发出较强的荧光，从而衍生出生物医学用色素。

这类色素的种类有多种，主要是荧光探针、DNA测序用荧光染料和光动力学治疗用色素。

1）荧光探针色素：借助荧光探针色素分子的光物理和光化学性质对微环境变化的敏感性，可以在分子水平上研究生物体内结构变化。

根据荧光染料分子与生物大分子作用方式的不同，可以分为嵌入式荧光探针和键合式荧光探针。

一般来说，嵌入式荧光探针染料本身不带有活性基团，荧光探针与蛋白质、DNA、核酸等生物大分子只是通过静电吸引或疏水作用相结合并嵌入生物分子中，因此这类染料探针被称为嵌入式荧光探针。

键合式荧光探针利用它本身带有的活性反应基团与蛋白质、核酸等生物分子中的氨基或巯基等基团反应形成化学键，与生物分子牢固地结合。

荧光探针技术方法多样、直观性强、灵敏度高、检测快速、设备依赖性小，因而这种技术已成为人们研究与分子间和分子内弱相互作用密切相关的超分子物理与化学问题的有力手段，广泛应用于蛋白质结构及其微环境的研究、组织化学染色、抗原抗体反应的监测及定位、疾病诊断等方面。

随着仪器水平的逐渐提高，利用荧光探针技术，人们不仅可以研究稳态超分子物理与化学问题，而且可以研究与超分子结构形成与破坏相关的动态物理与化学问题。

在生物医学检测方面，荧光探针法与传统的同位素检测方法相比具有响应快，重复性好，用样量少，无辐射等优点，因而在DNA自动测序，抗体免疫分析，疾病诊断，抗癌药物分析等方面得到了广泛的应用，也可用于电子学、聚合物化学、医学，法医学和其他各种领域。

2）DNA测序荧光染料：荧光染料特别适合于生物应用，可以形成高灵敏度的试剂，用能与样品中的特定生物组分优先结合的染料，测定特定组分的存在及其数量，能监测特定细胞在不同环境中的分布，进而测定细胞的离子、电荷及新陈代谢性能。

对所用的荧光染料的要求是：最大吸收波长应在可见光区，最大发射波长尽量靠近红光区，以避免DNA自身的蓝色荧光干扰；能发射足够强度的荧光；不影响DNA片段在电场中的泳动；染料本身无毒害。

DNA测序用的荧光染料主要是菁类、荧光素和若丹明、菲啶类染料、1,8-萘酰亚胺类染料和二吡咯烷硼二氟类等化合物，荧光多为黄、绿、红色，荧光量子产率较高。

3）光动力治疗用色素：光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)的基本原理是：用对光有特殊敏感作用的色素（即光敏化剂）标识肿瘤细胞，然后再用强光或激光照射，在氧气参与下，使癌细胞或癌组织上的标记物发生光化学反应，从而杀灭癌细胞。

光动力疗法的最大优势在于它的选择性杀伤作用。

由于光敏化剂作为有特殊性能的光标识材料，在正常细胞中很容易代谢、排除，而在肿瘤细胞上却能停留相当长的时间。

因此，在一定时间之后正常细胞组织上的标记物减少了，甚至消失，但在癌细胞组织上尚保留着这些标记物，这样标记物富集在肿瘤组织内，用适当的光激发可以检测出癌症发病位置，病症的伤害程度等信息，再用特定波长的激光激发，产生能破坏肿瘤组织的自由基物质或引发氧分子转变为能杀灭癌细胞的单线态氧，达到治疗的目的。

所以光动力疗法只造成肿瘤的坏死，而不伤害周围的正常细胞组织，从而实现了它的选择性杀伤作用目标。

光动力治疗为肿瘤等疑难疾病的诊治开辟一个新的领域。

10.化学发光用色素化学发光 (chemiluminscence) 指由化学反应释放的能量引发它周围的物质使其达到激发态，被激发的物质再通过光辐射衰减能量回到基态的过程。

简言之，化学发光是一个将化学反应产生的能量转变成光的过程。

用作照明的化学发光器件是在20世纪60年代实现商业化的，美国氰胺公司于1971年推出人工荧光灯——化学光棒。

化学发光大多伴随着有氧化反应发生，化学发光材料首先被氧化剂（如过氧化氢）氧化，生成高能过氧化物，它降解产生的化学能转移给体系内的某种荧光剂，后者因获得能量而被激发，最后处于激发态的荧光剂回到基态，同时以光的形式衰减能量。

常见的化学发光试剂有3-氨基邻苯二甲酰肼、光泽精、吖啶酯、三苯基咪唑、1, 10-邻菲啰啉、草酸酯类等。